中国黄土磁性地层研究进展与展望

中国黄土是最重要的第四纪陆相气候记录之一,磁极性地层是建立第四纪黄土年代框架的主要方法之一。本文总结了中国黄土所记录的布容/松山(Brunhes/Matuyama)、加拉米诺(Jaramillo)、奥尔都维(Olduvai)和松山/高斯(Matuyama/Gauss)等几个作为主要定年依据的极性倒转界限的研究结果,并将黄土记录的这些界限位置与深海记录进行了对比。结果发现,不同黄土剖面所记录的各地磁极性倒转界限的位置并不一致,其差异可超过一个黄土-古土壤旋回,且不能用lock-in效应、气候和沉积速率差异、黄土地层划分差异来解释。这些地磁极性界限位置的差异指示极性界限附近的黄土可能经历了不同程度的重磁化。同时,这些差异也导致了不同研究者基于磁极性地层所建立的轨道尺度的黄土年代标尺与深海氧同位素记录的对比存在较大分歧。未来对黄土所记录的地磁场相对古强度(RPI)的研究可望为识别极性倒转界限的真实位置提供依据,并最终解决中国黄土与深海记录轨道尺度对比方案的分歧。

行星际尘埃的探测与研究进展

行星际尘埃遍布太阳系中,是太阳系物质的主要组成部分之一,主要来自太阳系小天体(如彗星和小行星)的物质剥离损失,因此对其探测有助于了解太阳系小天体的起源与演化.它们在行星际空间因太阳风等离子体的碰撞以及太阳辐射电离而带电,因而会影响周围的等离子体.行星际尘埃诞生后在万有引力、光压、玻印廷—罗伯逊作用以及洛伦兹力的作用下被加速.由于行星际尘埃的尺寸分布较广,对它们的探测始终是行星际观测的一个挑战.同理,行星际尘埃的动力学横跨数十量级的空间尺度,包括单粒子动力学到尘埃等离子体的各种过程.本文着重讨论尘埃颗粒个体的不同带电机制以及受力情况分析,简要介绍尘埃等离子体的相关研究以及近期帕克太阳探针在内日球层关于行星际尘埃探测的一些进展成果.

基于MAVEN卫星的火星逃逸面温度研究:日变化与太阳活动性变化

火星逃逸面是理解其大气逃逸和演化过程的一个关键性概念.本文基于搭载在火星大气与挥发分演化(MAVEN)卫星上的中性气体与离子质谱仪测量的中性成分密度数据,计算了火星大气中四种含量最多的成分(即CO_(2)、O、N_(2)和CO)的逃逸面温度.计算结果显示这四种成分的逃逸面温度具有较强的变化性,对应平均值分别为174 K、152 K、195 K和193 K.计算出的四种成分的逃逸面温度均与其逃逸面高度成正相关而与其逃逸面密度成反相关.进一步的研究表明逃逸面温度具有很强的日变化和太阳活动性变化:(1)火星日侧逃逸面温度高于夜侧,14时到达最高值,2时到达最低值;(2)火星逃逸面温度随太阳极紫外辐射的增加而增加,这一效果在日侧更加显著.这些变化性是由不同的太阳极紫外波段的辐射能量注入对火星高层大气的不同加热程度导致的.

太阳辐射通量对星载朗缪尔探针等离子体密度测量精度的影响

本文利用Swarm C卫星和CHAMP卫星搭载的朗缪尔探针测量的电离层就位等离子体密度数据和位于Arecibo及Jicamarca两座非相干散射雷达测量的电子密度数据进行了详细、全面的对比.除此之外,本文还使用了利用GRACE卫星星间测距系统(K-Band Ranging system,KBR)计算得到的星间平均电子密度作为进一步对比.总体上来看,Swarm C、CHAMP和GRACE三颗卫星都与两台地基非相干散射雷达观测数据展现出了良好的线性关系,相关系数分别达到了0.96,0.97,0.96.不同的是,Swarm C卫星与雷达观测间的误差表现出了对太阳辐射通量的依赖,而该依赖关系在CHAMP和GRACE卫星等离子体密度数据中却不明显.结合三颗卫星飞行期间其所处高度及太阳辐射通量的变化,我们认为星载朗缪尔探针的测量结果与探头周围的离子成分有密切关系.比如,在Swarm卫星的数据反演算法中没有考虑离子成分变化对等离子体密度反演精度的影响.在太阳活动低年,较轻的离子(比如H~+)从等离子体层向下扩散到Swarm卫星轨道高度时,其朗缪尔探针就会高估探头周围的等离子体密度.这一影响主要出现在太阳活动低年,且在夜侧要显著大于日侧.与Swarm卫星不同的是,CHAMP卫星的轨道高度随着时间下降(从450 km降至320 km)与太阳辐射通量水平下降的趋势一致,导致CHAMP卫星高度的离子成分变化不明显,其等离子体密度测量误差没有展现出对太阳活动的依赖性.此外,虽然GRACE卫星在2008—2009极低太阳活动年期间,其轨道高度维持在约480 km,但其测量方法并不依赖于卫星周围离子成分的变化,因此其测量结果与雷达观测间的误差也未表现出明显的太阳活动依赖.该对比结果显示了基于GRACE星间测距系统得到的顶部电离层等离子体密度可以为其他基于朗缪尔探针测量的低轨道卫星提供很好的绝对值参考,有助于其他卫星等离子体密度测量的在轨标较.

子午工程二期电离层高频多普勒监测仪初步观测结果

子午工程二期计划在漠河、北京、武汉、深圳四地分别建设由一个发射站和三个接收站构成的电离层高频多普勒监测台阵.本文介绍了为此研制的电离层高频多普勒监测仪的进展和试观测期间取得的一些观测结果.通过与电离层测高仪进行交叉对比,设备的性能和探测能力得到了验证.目前该设备已部署7个站点进行试观测,本文报告了该设备探测到的太阳耀斑导致的电离层扰动、电离层行进式扰动、大尺度电场导致的多站同时扰动等多种现象.未来子午工程二期建成后,该设备将具备我国上空北至漠河、南至广东的电离层扰动监测能力,并与其它探测手段融合发挥空间天气综合监测网络的最大效能.

行星构造:寻求地球演化的踪迹

地质构造是记录地球内、外动力地质作用过程的标志。和地球相似,太阳系其他天体上也发育丰富的地质构造。以研究天体表面的地质构造及其动力学机制为目的的"行星构造学"是建立在构造地质学、遥感地质学和地球物理学等学科基础上的一门新兴前沿学科。由于天体的大小、组分和轨道位置不同,表面构造特征及其形成机制各异。对比研究地球和其他天体上的构造特征,是完善地球动力学的重要途径。水星和月球的热演化轨迹大致相同,内部持续冷却造成全球收缩,表面形成大量的挤压构造,而伸展构造仅局部发育。火星的岩石圈主要通过热传导散热,表面发育大量的挤压构造,且其形成时间可能呈单峰式分布。同时,火星表面的伸展和挤压构造和大火山群紧密相关,表明深部动力过程影响了火星上的区域构造。金星和地球的大小相似,但金星表面的最大年龄远小于地球大陆地壳的平均年龄,~80%的早期地质记录完全被后期的岩浆-构造活动抹去,表面发育大量的火山-深大裂谷系,说明"幔柱"活动对金星的构造演化至关重要,因此热传导可能也是当前金星岩石圈的主要散热方式。以上天体的岩石圈形变均以垂直运动为主。在外太阳系,一些卫星的表壳主要由冰水和其他挥发分组成,有些卫星存在下伏的液态水圈,潮汐作用可能是驱动其构造演化的主要动力。在特殊的应力来源和物质特性的共同作用下,在这些卫星上发育大量的走滑断层和疑似俯冲消减带。行星地质构造从能量和物质属性的角度探究构造运动的物理和化学过程,与地球动力学研究相辅相成,对揭示地球早期动力学过程的关键科学问题具有重要的指示意义。

月球的自二次坑研究

自二次坑是背景二次撞击坑中的一类,是撞击过程中近垂直溅射的物质回落至母坑的连续溅射沉积物上形成的二次坑.二次坑的概念于20世纪60年代首次提出于,直至近十年被发现和证实,研究自二次坑对完善撞击坑统计定年方法和撞击过程的物理机理具有重要意义.近年来,深空探测获取了多个天体的高分辨率遥感数据,前人已在月球、水星等天体表面发现了自二次坑.但是,自二次坑的详细成因机制以及自二次坑对撞击坑统计定年方法的具体影响依然存在大量未知.系统综述了自二次坑的发现和研究历史,介绍了自二次坑与其他不同类型二次坑的区别;重点梳理了自二次坑的可能成因机理及其对撞击坑统计定年方法的影响.最后,结合作者的最近研究进展,展望了自二次坑研究的突破口.

火星电离层不规则体的分类研究

基于火星大气与挥发物演化任务(MAVEN)的就位观测数据,本文对火星电离层等离子体密度的不规则结构进行初步的气候学分类研究.依据离子密度的扰动形式将不规则体分为增强、耗空和振荡类型.而通过判断离子密度扰动和的磁场扰动之间的相关性,可将这些不规则体进一步按照有无磁信号进行划分.研究表明,具有磁信号的不规则体倾向于出现在岩石圈磁异常区(MA)的外边界,而无磁信号的不规则体更倾向于出现在MA内部或外部,其具体分布特性与不规则体的类型和所在太阳天顶角有关.在大多数情况下,不规则体在电离层发电机高度以上(高于200km)依旧具有较高的发生率,说明其与离子的磁化状态无关.此外,无磁信号的增强型不规则体倾向于发生在垂直磁力线附近,与以往研究中发现的局地隆起结构类似,而其他类型的不规则体则几乎未表现出对磁场几何构型的依赖性.与以往研究相比,本文发现的诸多不规则体发生特性既存在相似性也存在差异性.本文揭示的火星电离层不规则体的气候学特征一方面可以作为以往研究的重要补充,另一方面也为未来阐明火星电离层不规则体的内在机理提供了关键的研究线索.

华南地区澳大利亚-亚洲远撞击溅射玻璃的磁学性质研究

地外天体物质的高速撞击深刻地影响着地球系统各个圈层的协同演化.撞击过程产生了广泛分布的气化、熔融和冲击变质物质,其中,一部分飞行距离超过母坑半径五倍的气化和熔融物快速冷却形成远撞击溅射玻璃(tektites).远撞击溅射玻璃是极端高温高压环境的忠实记录者,其蕴含的磁性信号是研究撞击过程、撞击体和靶体物质的关键信息.澳大利亚—亚洲散布区(Australasian strewn field;AASF)是目前已知面积最大(~1×10~8 km2)、时代最新(78.8万年前)的远撞击溅射玻璃散布区.该散布区是一颗小行星或彗星自北向南倾斜撞击地表的产物,形成的tektites和microtektites主要分布在下靶区方向(中南半岛—澳大利亚—南极洲及其毗邻地区).但是,形成澳亚散布区的母坑至今仍未被发现,探索该母坑及其地质响应是地球和行星科学领域的重要科学问题.华南属于澳亚散布区的上靶区,区内存在丰富的tektites,它们是解译本次大型撞击过程、追溯母坑位置的重要载体,但其研究程度相对较低.我们近年来对采自广东省、广西壮族自治区和海南省的tektites进行了系统的岩石磁学研究.结果表明:华南tektites具有显著的顺磁性信号和微弱的铁磁性信号;在整个澳亚散布区内,华南芒农型tektites的磁化率最低,飞溅型tektites的天然剩磁强度和饱和等温剩磁强度最低;矿物包裹体的晶体学研究发现,华南芒农型tektites中存在纳米级磁铁矿颗粒,与检测到的单畴或假单畴磁铁矿信号吻合.本研究提出撞击熔体受到的冲击程度和经历的冷却历史影响着磁性颗粒的含量和粒径变化,进而控制了不同地区和不同类型AASF tektites磁性信号的差异表达.相同形态类型的AASF tektites的磁性信号变化范围较大,而单块样品内部的磁性信号较均一,表明厘米级熔体具有相同的原岩组分并经历了相似的热历史.本研究证明磁学性质是揭示AASF tektites形成过程的重要线索,是探寻其母坑方位的新线索,也为计划中的月球和火星表面采样返回探测有望采集的撞击玻璃的成因分析提供了比较行星学样本.

火星陨石的岩石矿物学及源区特征

目前火星岩石样品的唯一来源是火星陨石,是研究火星物质组成和成分演化、物理化学性质、壳幔分异过程、岩浆过程等的重要窗口。火星角砾岩的成分与探测器和火星车获得的火星表面平均成分及部分表面岩石成分相似,代表了来源于火星壳的富集型样品。其他大部分火星陨石通常为基性岩浆岩,形成于幔源岩浆上涌后喷发至表面或侵入为岩墙或岩床,携带了火星幔的物质组成信息,不同的微量元素和同位素组成特征指示其来源于火星幔不同的源区。部分岩浆在上涌过程中经历了火星壳的混染作用,形成的陨石记录了火星壳的部分物质组成。火星陨石的研究已经获得了大量火星表面和深部的物质组成和演化信息,主要认识包括:(1)火星壳氧化程度较高,富集稀土元素,238U/204Pb比值较高,ε142Nd和ε182W较低;(2)火星幔部的氧逸度和轻稀土元素富集程度高度不均一,同位素组成特征指示至少存在六个不同的源区(低147Sm/144Nd和176Lu/177Hf、高147Sm/144Nd和176Lu/177Hf、高147Sm/144Nd低176Lu/177Hf的三类辉玻无球粒陨石源区;较低147Sm/144Nd和176Lu/177Hf、较高ε182W的辉橄与纯橄无球粒陨石源区;NWA 8159的源区;NWA 7034中部分组分的源区);(3)幔部不均一的特征可能形成于火星分异早期。目前发现的火星样品数量约300余块,大部分样品的结晶年龄小于650 Ma,但是火星表面的地质单元主要为诺亚纪或西方纪产物。另外火星探测数据获得的表面岩石成分比火星陨石更富硅和碱性元素,且岩石种类更丰富,除玄武质岩石之外还有大量中性和酸性岩石。因此对火星物质组成和演化更全面、深入的研究还需新的探测任务(包括样品返回)的数据补充。

撞击过程和内太阳系撞击历史

在太阳系的形成和演化过程中,发生在天体物质间的撞击作用是最重要的地质过程之一。撞击构造是地外天体表面最常见的地貌单元,大部分天体的地貌演化主要受撞击作用控制。撞击过程产生的温度、压力和应变速率比岩石圈内的其他地质过程高多个数量级,形成广泛分布的撞击产物,如气化物、熔融物、冲击变质和变形等。虽然撞击过程转瞬即逝,撞击作用向天体注入能量并改变其内、外结构,对天体的圈层系统产生长远影响。持续撞击在天体表面累积了大量的撞击坑,撞击坑的空间分布反映了受外来撞击的历史。内太阳系在~3.8 Ga前的撞击频率更高,但是大量撞击盆地是否灾变式的密集形成仍在持续争议;~3.8 Ga以来的撞击频率趋于稳定,但是缺乏具有明确事件指代性的标定样品。在同一天体上,撞击坑的空间密度指示了相应地质单元的形成时间,因此撞击坑统计常被用于估算地外天体表面地质单元的相对年龄。基于月球软着陆探测任务返回的样品,前人已约束了不同直径的月球撞击坑的形成频率,进而建立了使用撞击坑统计估算月球表面地质单元的绝对模式年龄的方法。另外,内太阳系天体可能经历了相似的撞击历史,因此地-月系统的撞击频率已被缩放至其他类地行星。撞击坑统计是探索太阳系天体的撞击历史、遥估地外天体表面的相对和绝对年龄的主要方法,也是行星地质研究的基本工具。该方法的整体可靠性已得到大量实验的验证。同时,该方法在理论基础和技术细节上还存在大量的不确定性。修正该方法是完善太阳系撞击历史的重要研究内容,也是未来采样返回探测任务的重要科学目标。

地球等离子体层嘶声的内部源区

地球等离子体层是向阳侧中低纬度电离层沿着闭合磁力线向上的自然延伸,其中所出现的一类频率覆盖数十赫兹至数千赫兹的哨声模波动称为等离子体层嘶声.自发现以来,等离子体层嘶声就被广泛认为是沉降损失辐射带高能电子的主要等离子体波动之一.但是,等离子体层嘶声的起源一直没有定论.潜在的来源分成两类:一类为等离子体层内部背景等离子体噪声,另一类为等离子体层外部波动.2012年发射升空的Van Allen Probes搭载了完备的磁层粒子、场和波动探测仪器,为这一问题的解决带来了新的机遇.本文综述了近5年来利用Van Allen Probes探索等离子体层嘶声内部源区的研究工作,强调背景等离子体噪声可以通过高能电子线性和非线性不稳定性叠加放大成可观测的嘶声,突出内源的广泛分布特性,即在结构上涵盖等离子体层核心和羽流,在地方时上涵盖向阳和背阳侧等离子体层,在径向距离上涵盖外层和内层等离子体层.

空间电场的原位测量

在地球和行星空间中探测电场有助于我们理解空间中的电场结构和等离子体波动.通过分析电场测量数据,我们还能反演得出普通能谱仪不能直接测量的磁层中占绝大多数的冷离子.这些冷离子的来源为地球的电离层,通过极区的双极性电场加速而逃逸.它们从电离层中的损失是地球大气层和宜居性演化的重要因素.本文总结空间探测中主要使用的两种电场探测仪器,以及利用这两种仪器获得磁层冷离子参数的方法.在目前已有的技术基础上,我们提出探测极区双极性电场(约10^(−6) Vm^(−1)量级)的新仪器.这个仪器有望搭载于极区运行的卫星上,为大气演化和宜居性演化提供重要线索.

水星的火山活动历史

火山活动是天体内部热活动的表现,火山活动的形式和持续时间是探索行星环境和宜居性演化的重要方面.与内太阳系的其他天体一样,水星表面经历了大规模和长时期的火山活动,但是水星上的火山地貌、喷发机制、持续时间,以及火成岩的物质组成等特点和其他类地天体明显不同.水星上的火山活动主要发生在太阳系形成之初的10亿年内,溢流性火山活动形成的坑间平原和平坦平原在全球分布,是水星表面分布面积最大的火山物质.随着内部逐渐冷却,水星自约38亿年前后进入了全球收缩的热状态,岩石圈内的压应力阻碍岩浆上涌,大规模溢流性火山活动快速停止.距今约35亿年以来,水星表面的火山活动主要是挥发分驱动岩浆沿岩石圈内的薄弱带快速上升引起的爆发性火山活动,在全球形成了百余处火成碎屑沉积物.一些爆发性火山活动持续到水星地质历史的近期.水星火山活动的历史反映了独特的幔部动力过程,揭示了天体撞击作用对内部热扰动的影响,对水星的起源和演化具有重要的指示意义.

火星光电子边界对2018年全球沙尘暴的响应

火星沙尘暴是火星上最显著的气候特征之一.根据不同的环境条件,沙尘颗粒加热或冷却火星大气,影响大气环流,调节地表反照率模式,并进一步影响火星表面至高层水和二氧化碳的交换等过程,从而直接或间接地调控火星气候变化.然而,以往对火星沙尘暴影响的观测研究仅限于400km以下的区域,这限制了我们对火星电离层至磁层高度对沙尘暴的响应的深入理解.本文基于火星大气和挥发物演化任务(MAVEN)上的太阳风电子分析仪,通过自动识别光电子能谱程序确定了太阳天顶角低于120°处的火星光电子边界(PEB),进一步以日侧PEB的高度变化作为火星电离层顶变化的指标,分析了2018年(第34个火星年, MY34)火星全球沙尘暴期间(GDS)PEB高度的变化,并将其与第33个火星年(MY33)中没有全球沙尘暴的时期进行比较.结果表明,沙尘光学厚度(CDOD)是火星全球沙尘暴期间PEB高度变化的主要驱动因素之一,火星全球沙尘暴可以在相当远的距离和较长的时间尺度上影响火星高层大气和电离层.

三门峡盆地三门组的特征与时代

汾渭盆地在上新世至早更新世发育巨型内流湖泊——三门古湖。三门组是三门古湖内沉积的一套河湖相地层,同时是中国北方重要的新生代陆相地层单位。三门组沉积结束是指示黄河贯通的重要标志之一,但对三门组命名地三门峡盆地黄底沟剖面的研究显示,其岩性特征及地层时代与汾渭盆地内其他次级盆地的三门组明显不同,这不利于三门组的划分和对比,也导致了学术界对黄河贯通三门峡时代的争议。最近,我们对三门峡盆地东部平陆县张村镇后沟村出露的三门组做了详细的沉积特征和磁性地层研究,结果表明:(1)三门峡盆地三门组的地层特征和时代(2.7—1.6 Ma)与汾渭盆地内其他次级盆地基本一致,指示黄河袭夺三门古湖的时间大约为1.6 Ma,与其他证据揭示的黄河贯通三门峡的时间一致;(2)之前作为三门组命名剖面的黄底沟剖面可能因黄河的侵蚀而缺失了三门组,修订后的磁性地层年代框架指示该剖面可能保存了上新统游河组和上中新统灞河组。三门组在三门峡盆地多个剖面均有出露,本文建议将地层连续、界线清晰、出露最佳、有详细古地磁定年且交通便利的后沟剖面作为三门组的标准剖面。

当前火星大气氢原子逃逸及其变化性

大气逃逸是影响火星宜居性演化的决定性要素之一.近几十年来,国内外学术界针对此问题开展了广泛而深入的研究,且多个探测任务均以火星大气逃逸作为重要科学目标.在火星演化历史的早期,以等离子体形态发生的大气逃逸占主导地位,而当前火星大气逃逸可能由中性逃逸主导.火星中性逃逸成分包括H, He, O, C, N等,其中H原子由于质量较轻,逃逸相对容易发生.本文聚焦火星大气H原子逃逸问题,对近年来的国内外研究状况进行了系统性回顾.目前火星大气H原子逃逸以金斯逃逸为主,这一过程对逃逸面处的H原子密度和温度十分敏感,展现出丰富的变化性.一般情况下,火星高层大气中的H原子主要通过电离层化学分解H2产生.近年来的研究表明,火星沙尘暴期间的H原子逃逸通量显著增加,主要是由于低层大气H2O分子可以有效抬升至高层大气并通过电离层化学释放出H原子.虽然学术界对火星H原子逃逸获得了丰富的认知,但依然存在一些悬而未决的问题,包括:(1)基于理想逃逸面假设的传统金斯理论能在何种程度上反映真实的火星H原子逃逸状况;(2)火星H冕结构是否存在额外的非热成分;(3)在太阳系演化早期,火星H原子逃逸如何发生以及如何影响火星气候演化历程.